DE102007048867B4

DE102007048867B4 - Verfahren zur Lieferung von Leistung in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102007048867B4
Application number: DE102007048867A
Authority: DE
Inventors: David A. Arthur; Abdullah B. Alp
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: US20080187804A1; JP2008103333A; DE102007048867A1; CN101222062B; US7695839B2; CN101222062A; JP4778492B2

Abstract

Verfahren (30) zur Lieferung von Leistung in einem Brennstoffzellensystem (10), wobei das Verfahren (30) umfasst, dass:
bestimmt wird (42), ob ein nach oben gerichteter Leistungsübergang von dem Brennstoffzellensystem (10) angefordert wird; und
wenn ein nach oben gerichteter Leistungsübergang von dem Brennstoffzellensystem (10) angefordert wird, eine vorbestimmte maximale Leistung an einen Kompressor (14) geliefert wird (46), der eine Luftströmung an den Brennstoffzellenstapel (12) liefert, um so die Stapelstromdichte zu erhöhen;
dadurch gekennzeichnet, dass
ein in der Kathodenausgangsleitung des Brennstoffzellenstapels (12) befindliches Gegendruckventil (26) während des nach oben gerichteten Leistungsüberganges in einer vollständig geöffneten Stellung beibehalten wird (38), um den Druck der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) beizubehalten; und
der Druck der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) am Ende des nach oben gerichteten Leistungsüberganges durch Schließen des Gegendruckventils (26) erhöht wird (58), so dass die Stromdichte des Stapels (12) schnell ansteigt und die Spannung des Stapels (12) am Ende...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Lieferung von Leistung in einem Brennstoffzellensystem bei einem nach oben gerichteten Leistungsübergang gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der DE 10 2004 050 924 A1 bekannt geworden ist. Ergänzend schlägt die WO 2005/099013 A1 vor, bei einem nach oben gerichteten Leistungsübergang durch Öffnen des Öffnungsgrades eines Druckregelventils in der Kathodenauslassleitung eines Brennstoffzellenstapels den Kathodenauslassdruck zu erhöhen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die über einen Kompressor durch den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Die dynamische Leistung eines Brennstoffzellensystems ist begrenzt. Ferner kann es sein, dass die Zeitverzögerung vom Systemstart zur Fahrbarkeit und langsamen Beschleunigung des Fahrzeugs nicht akzeptabel ist. Die Spannungszyklen können die Stapelhaltbarkeit verringern. Diese Nachteile können durch Verwendung einer Hochspannungsbatterie parallel zu dem Brennstoffzellenstapel minimiert werden. Es werden Algorithmen verwendet, um die Verteilung von Leistung von der Batterie und dem Brennstoffzellenstapel vorzusehen und damit die angeforderte Leistung zu erfüllen.
Einige Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die zusätzlich zu dem Brennstoffzellenstapel ein elektrisches Energiespeichersystem (EESS) verwenden, wie eine DC-Batterie oder einen Superkondensator (auch als ein Ultrakondensator oder als ein Doppelschichtkondensator bezeichnet). Das EESS liefert ergänzende Leistung für die verschiedenen Fahrzeugzusatzlasten, zum Systemstart und bei Hochleistungsbedarf, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der Lage ist, die gewünschte Leistung bereitzustellen. Insbesondere liefert der Brennstoffzellenstapel Leistung durch eine DC-Spannungsbusleitung an ein elektrisches Traktionssystem (ETS) für den Fahrzeugbetrieb. Das EESS liefert die ergänzende Leistung an die Spannungsbusleitung während derjenigen Zeiten, wenn zusätzliche Leistung über die hinaus erforderlich ist, die der Stapel bereitstellen kann, wie bei einer starken Beschleunigung. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel eine Leistung von 70 kW bereitstellen. Jedoch kann eine Fahrzeugbeschleunigung eine Leistung von 100 kW oder mehr erfordern. Der Brennstoffzellenstapel wird dazu verwendet, das EESS zu denjenigen Zeiten wiederaufzuladen, wenn der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, den Systemleistungsbedarf zu erfüllen. Die Generatorleistung, die von dem Traktionsmotor bei einem regenerativen Bremsen verfügbar ist, wird ebenfalls dazu verwendet, die Batterie durch die DC-Busleitung wieder aufzuladen.
Akzeptable Zeitperioden für Kraftfahrzeuganwendungen von Leerlaufleistung zu Vollleistung liegen in der Größenordnung von zwei bis drei Sekunden. Derzeit sind Brennstoffzellenfahrzeuge nicht in der Lage, nach oben gerichtete vorübergehende Leistungsübergänge so schnell wie gewünscht bereitzustellen. Allgemein treten die Begrenzungen für das Ansprechen auf nach oben gerichtete Übergänge für Brennstoffzellensysteme auf, da der Brennstoffzellenstapel Kathodenluft nicht schnell genug erhalten kann. Der Kompressor selbst ist in der Lage, schnell genug hochzufahren, vorausgesetzt, dass er eine angemessene Leistung erhält. Jedoch ist es genau die Fähigkeit, die Leistung an den Kompressor zu liefern, die die Fähigkeit des Kompressors begrenzt, eine Luftströmung schnell genug an den Brennstoffzellenstapel zu liefern. Ein Teil des Problems ist zyklisch, da der Kompressor typischerweise seine Leistung von dem Brennstoffzellenstapel erhält und die Brennstoffzellenstapelleistung bei niedriger Stapelleistung allgemein zu niedrig ist, um hohe Kompressordrehzahlen bereitzustellen.
Die Hochspannungsbatterie, die typischerweise in einem Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug vorgesehen ist, kann die Bereitstellung von Kompressorleistung bei nach oben gerichteten Leistungsübergängen unterstützen, um die angeforderte ETS-Leistung schnell genug bereitzustellen. Jedoch besitzt die Batterie dahingehend Beschränkungen, dass es typischerweise nicht zulässig ist, dass die Batterie unter einem vorbestimmten minimalen Ladezustand (SOC) fällt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das ein Verfahren verwendet, um ein Hochfahren von Stapelleistung für nach oben gerichtete Übergänge zu hoher Leistung zu verbessern, indem der Aufbau der Stapelstromdichte von dem kathodenseitigen Druck entkoppelt wird. Das System verleiht dem Kompressor während des nach oben gerichteten Leistungsüberganges Leistungspriorität, um die richtige Kompressordrehzahl für die gewünschte Stromdichte des Brennstoffzellenstapels schnell bereitzustellen. Das System hält auch den kathodenseitigen Druck des Stapels niedrig, indem ein Kathodengegendruckventil offen gehalten wird. Durch Erhöhung der Luftströmungsgeschwindigkeit des Kathodeneingangs auf das richtige Niveau bei dem nach oben gerichteten Leistungsübergang steigt die Stromdichte des Stapels auf das gewünschte Stapelleistungsniveau. Anschließend wird das Gegendruckventil geschlossen, um die Stapelspannung zu erhöhen und damit die von dem Stapel erreichbare, maximale Gesamtleistung bereitzustellen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Leistungssystems für ein Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug; und
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zur Verbesserung der Ansprechzeit bei nach oben gerichtetem Leistungsübergang für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist ein allgemeines Blockdiagramm eines Leistungssystems 10 für ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug. Das Leistungssystem 10 weist einen Brennstoffzellenstapel 12 und einen Kompressor 14 auf, der eine Luftströmung an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 liefert. Das System 10 weist auch ein kathodenseitiges Gegendruckventil 26 in der Kathodenabgasleitung auf, das dazu verwendet wird, den kathodenseitigen Druck des Stapels 12 zu steuern. Das Leistungssystem 10 weist auch ein elektrisches Traktionssystem (ETS) 16, eine Hochspannungsbatterie 18 und eine Niederspannungsbatterie 20 auf. Die Hochspannungsbatterie 18 ist dazu bestimmt, ein beliebiges elektrisches Energiespeichersystem für hohe Spannung zu repräsentieren, das für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist. Bei einer Ausführungsform ist die Niedervoltbatterie eine standardmäßige 12-Volt-Fahrzeugbatterie. Die Leistung wird zwischen den Komponenten in dem Leistungssystem 10 auf einem Hochspannungsbus 24 verteilt. Ein Hochspannungs-DC/DC-Verstärkungswandler 22 erhöht die Leistung von der Niederspannungsbatterie 20 auf ein für das Leistungssystem 10 geeignetes Niveau. Die Komponenten des Leistungssystems 10 sind dem Fachmann so, wie gezeigt verschaltet, gut bekannt. Wie hier nachfolgend detailliert beschrieben ist, verwendet das Leistungssystem 10 einen Algorithmus, der das Ansprechen auf einen nach oben gerichteten Übergang dahingehend verbessert, wie schnell der Brennstoffzellenstapel 12, die Batterie 18 und die Batterie 20 Leistung an das ETS 16 liefern können.
Die bekannten Leistungssysteme für Brennstoffzellenhybridfahrzeuge sprechen auf eine Anforderung nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang dadurch an, dass eine erhöhte Leistung an den Kompressor 14 geliefert wird, um die Anforderung zu erfüllen. Jedoch kann es sein, dass der Kompressor 14 nicht seine maximale Leistung erhält, wobei der größte Teil der verfügbaren Leistung an das ETS 16 geliefert wird, um die Leistungsanforderung zu erfüllen. Die bekannten Leistungssysteme schließen auch das Gegendruckventil 26 zu Beginn des nach oben gerichteten Leistungsüberganges. Eine höhere Luftströmung an die Kathodenseite des Stapels 12 unterstützt eine höhere Stromdichte des Brennstoffzellenstapels, und ein höherer kathodenseitiger Druck erhöht die Stapelspannung. Daher ist es, um die hohe Leistung für die Anforderung nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang bereitzustellen, typischerweise notwendig, sowohl eine hohe Kathodenluftströmung als auch einen relativ hohen kathodenseitigen Druck zu haben.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine alternative Technik zur Bereitstellung eines nach oben gerichteten Leistungsüberganges vor, die ermöglicht, dass das System 10 hohe Leistung an das ETS 16 schneller liefern kann, als es durch den Stand der Technik vorgesehen wurde. Die schnellste Art und Weise, um Stapelleistung aufzubauen, besteht darin, die Stapelstromdichte so schnell wie möglich zu erhöhen, wobei die Stapelstromdichte direkt mit der Kathodenluftströmung in Verbindung steht. Gemäß der Erfindung ist der Aufbau der Stapelstromdichte von dem kathodenseitigen Druck entkoppelt. Das Leistungssystem 10 verleiht dem Kompressor 14 während eines nach oben gerichteten Leistungsüberganges Leistungspriorität, um die richtige Kompressordrehzahl und daher den richtigen Luftmassendurchfluss für die gewünschte Stromdichte des Brennstoffzellenstapels 12 schnell bereitzustellen. Das System 10 hält auch den kathodenseitigen Druck des Stapels 12 niedrig, indem das Gegendruckventil 26 offen gehalten wird. Insbesondere wird das Gegendruckventil 26 beim Systemleerlauf vollständig oder nahezu vollständig geöffnet und wird während des nach oben gerichteten Leistungsüberganges in dem offenen oder Umgebungszustand beibehalten, bis die Stromdichte des Stapels bei oder nahe der Stromdichte für das gewünschte Leistungsniveau liegt. Durch Erhöhung des Kathodeneingangsluftdurchflusses auf das richtige Niveau bei einem nach oben gerichteten Leistungsübergang steigt die Stromdichte des Stapels 12 auf das gewünschte Stapelleistungsniveau. Anschließend wird das Gegendruckventil 26 danach geschlossen, um die Stapelspannung zu erhöhen und die gewünschten Stapelniveaus an relativer Feuchte und andere Faktoren bereitzustellen, um die von dem Stapel 12 erreichbare maximale Gesamtleistung bereitzustellen.
2 ist ein Flussdiagramm 30, das einen Prozess der Erfindung zur schnellen Erhöhung der Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 bei einer Anforderung nach einem nach oben gerichteten Übergang zu hoher Leistung zeigt. Der Algorithmus überwacht bei Kasten 32 die Fahrerleistungsanforderungen von dem ETS 16. Der Algorithmus bestimmt an der Entscheidungsraute 34, ob die Leistungsanforderung niedriger Leistung entspricht, wie Leerlauf. Wenn die Leistungsanforderung an der Entscheidungsraute 34 niedriger Leistung entspricht, dann bewirkt der Algorithmus bei Kasten 36, dass der Brennstoffzellenstapel 12 den Ladezustand der Niederspannungsbatterie 20 und der Hochspannungsbatterie 18 durch Laden auf ihr maximales Ladezustandsniveau beibehält und die angeforderte geringe Leistung an das ETS 16 unter Verwendung einer geringen Kompressordrehzahl bereitstellt. Ferner wird der Kathodenauslassdruck, der durch das Gegendruckventil 26 vorgesehen wird, bei Kasten 38 auf Umgebung, d. h. geöffnet, eingestellt, und der Algorithmus kehrt zu dem Kasten 32 zur Überwachung der Fahrerleistungsanforderung zurück.
Wenn die Leistungsanforderung bei der Entscheidungsraute 34 nicht niedriger Leistung entspricht, dann bestimmt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 42, ob die Leistungsanforderung einem nach oben gerichteten Übergang zu hoher Leistung entspricht, der einem vorbestimmten Wert entspricht. Wenn die Leistungsanforderung bei der Entscheidungsraute 42 einem nach oben gerichteten Übergang zu hoher Leistung entspricht, dann hält der Algorithmus das Gegendruckventil 26 des Kathodenauslasses bei dem Kasten 38 in der Umgebungsdruckposition und kehrt dann zu dem Kasten 32 zur Überwachung der Fahrerleistungsanforderung zurück. Ferner sendet der Algorithmus bei Kasten 46 die gesamte oder den größten Teil der verfügbaren Leistung an den Kompressor 14 bis zu der maximalen Leistung, die durch den Kompressor 14 akzeptiert wird, wie 13 kW, um die Drehzahl des Kompressors 14 so schnell wie möglich zu erhöhen. Die Leistung kann von dem Brennstoffzellenstapel 12, der Hochspannungsbatterie 18 als auch der Niederspannungsbatterie 20 stammen. Die Niederspannungsbatterie 20 wird typischerweise zum Systemstart verwendet und, um Zusatzleistung bereitzustellen, wenn das System 10 abgeschaltet ist. Jedoch kann gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung die Leistung von der Niederspannungsbatterie 20 auch durch den DC/DC-Verstärkungswandler 22 verstärkt werden, um die von dem Kompressor 14 benötigte Leistung zu unterstützen. Zusätzlich kann jegliche verbleibende Leistung, die die Leistungsgrenze des Kompressors 14 überschreitet, von dem Brennstoffzellenstapel 12, der Niederspannungsbatterie 20 und der Hochspannungsbatterie 18 dazu verwendet werden, das ETS 16 zu betreiben und damit das angeforderte Leistungsniveau zu erreichen.
Der Algorithmus bestimmt dann bei der Entscheidungsraute 48, ob die von dem ETS 16 erreichte Leistung gleich der Leistungsanforderung ist, um die gewünschte Fahrzeuggeschwindigkeit bereitzustellen. Wenn die gewünschte Leistung bei der Entscheidungsraute 48 nicht erreicht worden ist, dann bestimmt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 50, ob die Ladung der Niederspannungsbatterie 20 oder der Hochspannungsbatterie 18 auf ihr minimales Ladezustandsniveau abgefallen ist. Wenn sich der Ladezustand entweder der Hochspannungsbatterie 18 oder der Niederspannungsbatterie 20 bei der Entscheidungsraute 50 nicht auf seinem minimalen Ladezustand befindet, dann kehrt der Algorithmus zu Kasten 46 zurück, um die gesamte verfügbare Leistung an den Kompressor 14 und die verbleibende Leistung an das ETS 16 zu liefern, wie oben beschrieben ist. Wenn der Ladezustand entweder der Hochspannungsbatterie 18 oder der Niederspannungsbatterie 20 an der Entscheidungsraute 50 auf sein minimales Ladezustandsniveau reduziert worden ist, dann ermöglicht der Algorithmus bei Kasten 52, dass der Brennstoffzellenstapel 12 entweder eine oder beide der Niederspannungsbatterie 20 oder der Hochspannungsbatterie 18 lädt, und liefert die verbleibende verfügbare Leistung von dem Stapel 12 an das ETS 16, um die Anforderung nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang bereitzustellen.
Wenn an der Entscheidungsraute 48 die erreichte Leistung gleich der Leistungsanforderung ist oder an der Entscheidungsraute 42 die Leistungsanforderung kein nach oben gerichteter Übergang zu hoher Leistung ist, dann bestimmt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 54, ob eine Anforderung nach einem vorbestimmten hohen Leistungsniveau vorhanden ist. Wenn an der Entscheidungsraute 54 keine Anforderung nach einem hohen Leistungsniveau vorhanden ist, dann kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 38 zurück, um den Kathodenauslassdruck bei Umgebung beizubehalten. Wenn die Leistungsanforderung bei der Entscheidungsraute 54 hoher Leistung entspricht, dann bestimmt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 56, ob die erreichte Leistung für eine gewisse Zeitdauer gleich der Leistungsanforderung ist. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel beträgt die Zeitdauer etwa 10 Sekunden. Wenn bei der Entscheidungsraute 56 die erreichte Leistung die Leistungsanforderung für weniger als die vorbestimmte Zeitdauer erreicht hat, dann kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 38 zurück, um den Kathodenauslassdruck auf Umgebung zu halten. Wenn jedoch bei der Entscheidungsraute 56 die erreichte Leistung für länger als die vorbestimmte Zeitdauer der Leistungsanforderung entsprochen hat, dann führt der Algorithmus bei Kasten 58 ein Schließen oder teilweises Schließen des Gegendruckventils 26 aus, um den kathodenseitigen Druck, beispielsweise 145 kPa zu erhöhen, um die Spannung des Stapels 12 zu erhöhen, wie oben beschrieben ist, um die maximale Leistung bereitzustellen.
Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dadurch, dass der Kathodendruck bei einem nach oben gerichteten Übergang zu hoher Leistung relativ niedrig gehalten wird, die relative Feuchte der Membranen in dem Stapel 12 besser beibehalten werden kann.
Um den Algorithmus der Erfindung zu veranschaulichen, können Werte für die Leistungsverteilung des Leistungssystems 10 vorgesehen werden. Beim Systemleerlauf beispielsweise bei t = –2,0 Sekunden, kann der Kompressor 14 eine Leistung von 1 kW von dem Brennstoffzellenstapel 12 aufnehmen, um den Leerlaufzustand aufrecht zu erhalten. Ferner liefern weder die Niederspannungsbatterie 20 noch die Hochspannungsbatterie 18 Leistung an das ETS 16. Auch kann der Brennstoffzellenstapel 12 eine Leistung von 1 kW an die Niederspannungsbatterie 20 liefern, um ihren Ladezustand auf einem maximalen Niveau zu halten, und der Stapel 12 kann eine Leistung von 3 kW an die Hochspannungsbatterie 18 liefern, um ihren Ladezustand auf einem maximalen Niveau zu halten.
Nach einer Anforderung nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang bei t = 0,1 Sekunden, beispielsweise einer Anforderung nach 90 kW Leistung, können Leistungssysteme nach dem Stand der Technik 7 kW an den Kompressor 14 von der Hochspannungsbatterie 18 liefern, wobei eine typische maximale Kompressorleistung etwa 13 kW beträgt, und der Stapel 12 kann 1 kW Leistung an das ETS 16 liefern und die Hochspannungsbatterie 18 kann 23 kW an das ETS 16 liefern, um den Leistungsbedarf zu erfüllen. Somit erhält der Kompressor 14 nicht ausreichend Leistung, um schnell genug hochzufahren.
Gemäß der Erfindung erhält während des Beginns eines nach oben gerichteten Übergangs zu hoher Leistung bei beispielsweise t = 0,1 Sekunden der Kompressor 14 13 kW, sein Maximum, von der Hochspannungsbatterie 18. Wenn die Batterie 18 nicht in der Lage ist, die maximale Kompressorleistung bereitzustellen, dann können eine oder beide der Niederspannungsbatterie 20 und des Brennstoffzellenstapels 12 die zusätzliche Leistung bereitstellen. Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 12 1 kW zu dem ETS 16 liefern, die Niederspannungsbatterie 20 kann 2 kW zu dem ETS 16 liefern und die Hochspannungsbatterie 18 kann 17 kW zu dem ETS 16 liefern. Bei diesem Szenario nimmt der Kompressor 14 seine maximale Leistung auf, um die maximale Luftströmung so schnell wie möglich an den Stapel 12 zu liefern, und das ETS 16 nimmt die verbleibende verfügbare Leistung von den verschiedenen Leistungsquellen auf.
Bei etwa t = 3,0 Sekunden an dem Ende der Anforderung nach dem nach oben gerichtetem Leistungsübergang hat der Brennstoffzellenstapel 12 seine maximale Stromdichte erreicht und ist in der Lage, etwa 84 kW bereitzustellen, wobei der Kompressor 14 immer noch 13 kW Leistung aufnimmt. Ferner lädt nun der Brennstoffzellenstapel 12 die Hochspannungsbatterie 18 und die Niederspannungsbatterie 20 mit etwa 5 kW bzw. 1 kW.
Somit erhält der Kompressor 14 gemäß der Erfindung so viel Leistung, wie er aufnehmen kann, von allen verfügbaren Leistungsquellen, und das ETS 16 ist bei der Leistungsaufnahme sekundär. Das ETS 16 erhält bei einer Anforderung nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang unmittelbar nicht so viel Leistung, wie es bei dem System nach dem Stand der Technik der Fall wäre, erreicht jedoch die Leistungsanforderung schneller. Insbesondere dreht der Kompressor 14 schneller hoch, da er so viel Leistung erhält, wie er benötigt. Sobald die Drehzahl des Kompressors 14 hoch ist, wird er dazu verwendet, eine hohe Kathodenströmung bei geringer Leistung bereitzustellen, wobei der Druck später aufgebaut wird. Die Niederspannungsbatterie 20 und die Hochspannungsbatterie 18 entladen sich schneller, jedoch kann die Brennstoffzellenstapelleistung diese in einer ausreichend schnellen Zeitdauer wieder aufladen. Somit ist der Brennstoffzellenstapel 12 in der Lage, eine erhöhte Stromdichte schneller als bei den bekannten Systemen bereitzustellen.
Wie oben beschrieben ist, wird gemäß der Erfindung bei Niederleistungsbedingungen ein niedriger Sollwert des Kathodenauslassdruckes vorgesehen. Bei einem anschließenden nach oben gerichteten Leistungsübergang steigt der Sollwert des Kathodendruckes für eine kurze Zeitdauer nicht. Anschließend wird nach einigen Sekunden der Kathodendrucksollwert auf den schließlichen Druck erhöht, der bei dem Zustand mit höherer Leistung erforderlich ist. Als eine Alternative könnte der kathodenseitige Druck niedrig bleiben, bis das System 10 bestimmt, dass mehr Spannung von dem Stapel 12 benötigt wird. Da die Spannung mit dem Druck zunimmt, kann der Druck angehoben werden, bis entweder die Spannung erhalten wird oder ein vorbestimmter maximaler Druck erreicht wird. Wenn sich die Luftströmung aufbaut, bleibt das Gegendruckventil 26 vollständig offen. Die Drehzahl des Kompressors 14 wird so lange erhöht, bis die Rückkopplung von einem Massenstrommesser (nicht gezeigt) oder einer anderen Erfassungsvorrichtung den Kathodendrucksollwert erreicht, der erforderlich ist, um die angeforderte hohe Leistung zu unterstützen. Einige Zeit später, wenn die Druckaufbauphase beginnt, wird das Gegendruckventil 26 geschlossen. Durch Variation der Drehzahl des Kompressors 14 und der Position des Gegendruckventils 26 unter Verwendung des Kathodenauslassdruckes und des Luftmassenstromes kann das gesamte System bei Rückkopplung auf eine zusammenhängende Weise arbeiten.
Um eine bestimmte relative Stapelfeuchte bei niedriger/Leerlaufleistung beizubehalten und eine Stapelhaltbarkeit beizubehalten, ist die Kathodenstöchiometrie hoch genug, um die Stabilität beizubehalten, und die Kühlfluidauslasstemperatur wird abgesenkt, um den hohen Durchfluss zu kompensieren und eine gewünschte relative Feuchte beizubehalten. Das Problem besteht darin, dass bei einem nach oben gerichteten Leistungsübergang der Stapel 12 zur selben Zeit kalt ist, wenn die Kathodenstöchiometrie von etwa 5 auf etwa 1,8 fällt. Dies resultiert in einer augenblicklich hohen relativen Feuchte des Kathodenauslasses, typischerweise über 100%. Wenn der Kathodenauslassdruck über den nach oben gerichteten Übergang hinweg niedrig gehalten wird, hilft dies, das nach oben gerichtete Ausbrechen der relativen Feuchte mit einem nach oben gerichteten Leistungsübergang zu reduzieren, was in einem besseren Kathodenwassermanagement resultiert.
Gemäß der Erfindung wird die gesamte Leistung von den verschiedenen Leistungsquellen bei einem nach oben gerichteten Leistungsübergang an den Kompressor 14 geliefert, so dass die Kompressordrehzahl und daher der Luftmassenstrom so schnell wie möglich zunehmen können. In dem Fall des Brennstoffzellenstapels 12 kann der Kompressor 14 so viel wie 13 kW verbrauchen. Wenn die Hochspannungsbatterie 18 groß genug ist, um den Rest des Systems in Betrieb zu halten und die gesamten 13 kW an den Kompressor 14 zu liefern, liefert diese dann die anfängliche Leistung direkt an das ETS 16. Wenn beispielsweise ein 1 kW parasitäre Lasten vorhanden sind und die Hochspannungsbatterie 18 10 kW leistet, dann sollte 1 kW genommen werden, um sicherzustellen, dass die parasitären Lasten des Systems angemessen unterstützt werden, jedoch sollten 9 kW direkt an den Kompressor 14 gehen. Dann liefert der Brennstoffzellenstapel 12 die gesamte Startleistung. Bei einem zweiten Beispiel wird, wenn die Hochspannungsbatterie 18 30 kW liefert, dann immer noch 1 kW genommen, um sicherzustellen, dass die parasitären Lasten des Systems angemessen unterstützt sind, 13 kW gehen zuerst an den Kompressor 14 und jegliche verbleibende Leistung wird an das ETS 16 geliefert, allgemein bis zu 16 kW. Ferner verstärkt der DC/DC-Verstärkungswandler 22 die Niederspannungsbatterie 20 auf eine hohe Spannung. Der Verstärkungswandler 22 sieht somit Vorteile zum Start des Brennstoffzellenstapels 12 vor. Jedoch schlägt die vorliegende Erfindung vor, dass diese Erfindung auch während des Betriebs ähnlich des Gebrauchs der Hochspannungsbatterie verwendet werden kann.
Bei einem nach oben gerichteten Leistungsübergang wird die gesamte Leistung, die der DC/DC-Verstärkungswandler 22 liefern kann, zuerst dem Kompressor 14 zugeteilt, und dann dem ETS 16. Insgesamt ist es eine wichtige Betrachtung, dass der Kompressor 14 stets Leistung mit der höchsten Priorität neben den kritischen Komponenten des Systems, wie dem 12-Volt-Bus (nicht gezeigt) aufnimmt. Wenn der Übergang vorüber ist oder die Batterien 18 und 20 unter den vorbestimmten minimalen Ladezustand entladen werden, was auch immer zuerst stattfindet, sollte sich das System 10 dann selbst anpassen, um die Batterien 18 und 20 teilweise zu laden und jegliche angeforderte Leistung an das ETS 16 zu liefern.
Der Kompressor 14 stellt typischerweise die langsamste Komponente zum Ansprechen bei einer Anforderung nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang dar. Jedoch betreibt dieser grundsätzlich einen der wichtigsten Aspekte des Brennstoffzellensystems, d. h. die Unterstützung der Reaktion mit Luft. Das Ziel sollte darin bestehen, den Kompressor 14 auf den gewünschten Durchfluss zu drehen, der erforderlich ist, um die Leistungsanforderung so schnell wie möglich zu unterstützen, sogar, wenn dies bedeutet, dass die Batterien 18 und 20 für Hunderstel von Millisekunden oder einige wenige kurze Sekunden weniger Leistung an das ETS 16 liefern können.

Claims

Verfahren (30) zur Lieferung von Leistung in einem Brennstoffzellensystem (10), wobei das Verfahren (30) umfasst, dass: bestimmt wird (42), ob ein nach oben gerichteter Leistungsübergang von dem Brennstoffzellensystem (10) angefordert wird; und wenn ein nach oben gerichteter Leistungsübergang von dem Brennstoffzellensystem (10) angefordert wird, eine vorbestimmte maximale Leistung an einen Kompressor (14) geliefert wird (46), der eine Luftströmung an den Brennstoffzellenstapel (12) liefert, um so die Stapelstromdichte zu erhöhen; dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Kathodenausgangsleitung des Brennstoffzellenstapels (12) befindliches Gegendruckventil (26) während des nach oben gerichteten Leistungsüberganges in einer vollständig geöffneten Stellung beibehalten wird (38), um den Druck der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) beizubehalten; und der Druck der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) am Ende des nach oben gerichteten Leistungsüberganges durch Schließen des Gegendruckventils (26) erhöht wird (58), so dass die Stromdichte des Stapels (12) schnell ansteigt und die Spannung des Stapels (12) am Ende des nach oben gerichteten Leistungsüberganges ansteigt, um eine maximale Leistung bereitzustellen.
Verfahren (30) nach Anspruch 1, wobei das Liefern (46) einer vorbestimmten maximalen Leistung an den Kompressor (14) umfasst, dass Leistung von einer Hochspannungsbatterie (18) geliefert wird.
Verfahren (30) nach Anspruch 2, wobei das Liefern (46) einer vorbestimmten maximalen Leistung an den Kompressor (14) auch umfasst, dass Leistung von einer Niederspannungsbatterie (20) und dem Brennstoffzellenstapel (12) geliefert werden.
Verfahren (30) nach Anspruch 2, ferner umfassend, dass der Brennstoffzellenstapel (12) verwendet wird (52), um die Hochspannungsbatterie (18) zu laden, wenn sie während des nach oben gerichteten Leistungsüberganges einen vorbestimmten minimalen Ladezustand erreicht.
Verfahren (30) nach Anspruch 4, ferner umfassend, dass die verfügbare Leistung von dem System verwendet wird (46), um als erstes die vorbestimmte maximale Leistung an den Kompressor (14) zu liefern, als zweites die Hochspannungsbatterie (18) zu laden (50) und als drittes die Leistungsanforderung zu erfüllen (48).
Verfahren (30) nach Anspruch 1, wobei das Erhöhen (58) des Druckes der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) umfasst, dass eine vorbestimmte Zeitdauer, nachdem die Brennstoffzellensystemleistung die Leistungsanforderung erreicht hat, abgewartet wird (56), um den kathodenseitigen Druck zu erhöhen.
Verfahren (30) nach Anspruch 6, wobei die vorbestimmte Zeitdauer 10 Sekunden beträgt.
Verfahren (30) nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass jegliche verbleibende Leistung verwendet wird (46), um die Leistungsanforderung über diejenige Leistung hinaus zu erfüllen, die an den Kompressor (14) geliefert wird.